粉体工業における一般的な工業用キルンの分類と在庫

工業用キルンとは、工業生産における燃料の燃焼または電気エネルギーの変換によって発生する熱を利用して、材料またはワークピースを製錬、溶融、焼成（か焼）、加熱、レトルト、ガス化などを行う熱装置を指します。工業用窯にはさまざまな用途に応じてさまざまな種類があります。冶金、化学工業、非鉄金属、建材、機械、軽工業、先端セラミックス、その他の産業では、さまざまな工業目的にさまざまな工業炉が使用されています。通常、特定の窯には複数の特徴があります。そのため、同じ窯でも分類ポイントが異なり、複数の分類方法や呼び方があります。たとえば、連続焼結炉は焼結炉であると同時に連続炉でもあります。

工業用窯では、一般的な熱源には固体燃料、液体燃料、気体燃料、および電気エネルギー変換が含まれます。これらの熱源は一般に、その形成中に 2 つのカテゴリに分類されます。1 つは火炎の形で存在するもの、もう 1 つは非火炎の形で存在するものです。-したがって、キルンは熱源によって火炎炉と電気キルンの2種類に分類されます。

1. 火炎炉

燃料の燃焼による炎を熱源とする炉を火炎炉といいます。炉内の炎は材料に直接接触して加熱することができ、その温度は通常 2000 度未満です。燃焼中、炉壁は熱を放射し、投影された熱を部分的に反射し、熱交換において重要な役割を果たします。しかし、場合によっては、材料（ワーク）の酸化を防ぐために、炎を材料から分離し、隔壁を介して炎の熱を間接的に材料に伝える必要があります。火炎炉は、材料の加熱と溶解の両方に使用できます。

高温ダウンドラフトキルンは火炎炉の一種で、キルン本体（円形または長方形）、燃焼装置、換気装置の 3 つの部分で構成されます。運転中、燃料が燃焼室の火格子に追加され、空気が灰ピットに導入され、火格子を通過して石炭床で燃焼します。火炎と燃焼生成物は、防火板と窯壁で形成されたノズルから窯上部に噴出し、その後下方に反射して下部に戻り、吸引孔、分岐煙道、主煙道を通って煙道内に排出されます。炎が製品の上を流れると、その熱は対流と輻射によって製品に伝わります。

火炎炉は急速な溶解と高出力が特徴ですが、熱効率の低さや排ガスによる環境汚染などの問題があります。

したがって、火炎炉を使用すると、次のことが保証される必要があります。

(1) 指定された熱負荷条件下での燃料の完全燃焼。

(2) 燃焼プロセスが安定しており、炉に熱を継続的に供給できます。

現在、火炎炉は伝統的なセラミックス、工業用セラミックス、ガラス製品、耐火物、新素材の焼結、金属の熱処理などに広く使用されています。

2. 電気炉

電気窯は通常、電気発熱体を通じて電気エネルギーを熱エネルギーに変換します。電流の発生方法に基づいて、抵抗炉、誘導炉、電気アーク炉、電子ビーム炉、イオン炉の 5 つのカテゴリにさらに分類できます。燃料の燃焼を行わないため、給排気装置などの換気設備が不要です。構造がシンプルで占有面積が小さく、炉内の製品は排ガスや灰の影響を受けません。電気窯では火炎窯では難しい2000度を超える温度も実現できます。温度と雰囲気の正確な制御と監視も容易になり、高品質の焼成製品が得られます。-これらは、リチウムイオン電池用の人造黒鉛負極材料など、高品質の特殊材料の製造や加工によく使用されます。-

ただし、キルン断面全体で均一な温度分布を確保するために、通常、断面サイズは制限されます。-したがって、電気窯は大型で厚肉の製品の焼成には適しておらず、出力も比較的低いです。-さらに、電気窯の補助電気設備はより複雑であり、電気発熱体の消費量が多くなり、設備コストと運転コストが高くなります。

工業用窯は、冶金、化学、建材、セラミックス、ガラス、エレクトロニクス、食品などの産業に不可欠な熱設備です。工業プロセス別に分類すると、焼結炉、脱脂炉、焼成炉、乾燥炉、黒鉛化炉、加硫炉に分類されます。先端セラミックス産業では、製造工程において脱脂炉と焼結炉が熱設備として一般的に使用されています。

1. 脱脂炉

ニュー セラミックには、成形中に大量の有機結合剤や可塑剤が組み込まれることがよくあります。たとえば、熱間プレス成形におけるパラフィン ワックスや、ロール成形やテープ キャスティングにおけるポリビニル アルコールなどです。その結果、内部気孔率が高くなります。{0}}直接焼結ではセラミック素体中の多量の有機物が溶融、分解、揮発し、素体の変形、クラック、固着を引き起こし、基板の歩留まりや熱伝導率に影響を与えます。さらに、これらの有機材料の炭素含有量が高いと、還元性雰囲気を作り出すのに十分な酸素が存在しない場合、焼結品質に悪影響を及ぼします。そのため、通常、焼成前にセラミック素体を脱脂炉に入れ、焼結に使用する温度よりも低い温度で焼成して有機物を除去し、製品が形状、サイズ、品質の要件を満たしていることを確認します。

2. 焼結炉

脱脂されたセラミック素地は、焼結炉で焼結することができる。焼結炉内では高温により、セラミック素地の固体粒子が結合します。粒子が成長し、気孔率と粒界が徐々に減少し、物質移動により全体の体積が縮小し、密度が増加し、最終的には機械的特性に優れた緻密な多結晶焼結体が形成されます。

焼結プロセス中、焼結温度と焼結時間はセラミックの焼結に影響を与える最も重要な要素です。それらは主にセラミック内の粒子のサイズと分布を決定します。炉内の焼結雰囲気と焼結圧力はセラミック内部の細孔の数に影響を及ぼし、緻密化の度合いに影響を与えます。したがって、焼結炉内のこれらのパラメータは、焼結製品に亀裂や変形が生じないように、焼結中に正確に制御および監視する必要があります。

脱脂プロセスと焼結プロセスを個別に実行するキルンに加えて、統合炉を事前設定された温度プロファイルで使用して、複数のプロセスの統合生産のニーズを満たすことができます。{0}

製品の製造プロセスでは、工業用窯は主に連続モードと断続 (または周期的) の 2 つのモードで動作します。

1. 間欠窯
間欠窯の特徴は、炉室が温度帯に分かれていないことです。材料は加熱または溶解のためにバッチごとに手動で炉に投入されます。炉内での加熱または溶解プロセスが完了した後、材料は手作業でバッチごとに取り出されます。炉の装入物は炉内で移動せず、炉の温度は時間の経過とともに変化します。一般的なタイプには、ピット炉、ボックス炉、ベル炉、シャトル炉などがあります。

①ベル炉
ベル炉は通常、ベル ジャー、ベース、昇降構造で構成されます。発熱体は炉ジャーの内壁に取り付けられています。その特徴は、ブランクが焼成され、一定の温度まで冷却されると、ベルジャーをすぐに別のベースに移し、別の炉でブランクの焼成を開始できることです。したがって、移動中に損傷を受けやすい部品の焼結に非常に適しています。一般に、シール性能が良く、炉内の温度と雰囲気が安定して均一で、熱損失が少なく、熱効率が高いです。

②ボックス炉

名前が示すように、ボックス炉は形状が箱に似ており、加熱要素が炉室の内壁に沿って分布しています。製造中、ブランクはサポートプレート上に配置され、炉室の中央で一緒に焼成されます。ブランクの 1 つのバッチが焼成された後、ブランクは次のバッチが装填されて焼成されるために炉から取り出されます。ボックス炉は汎用性が高く、さまざまな形状の単体および小ロットの熱処理に適しています。しかし、炉の開口部とドアの密閉性が低いため、熱損失が大きくなり、温度分布が不均一になります。炉扉付近の温度は炉室中央の温度に比べて低いため、通常フル稼働ができず、生産効率が低くなります。これは、炉のドアに発熱体を追加するか、ファンを取り付けることで解決できます。

③ピット炉

ピット炉の多くは円形構造となっており、専用のクレーンなどを使用してワークを炉内に垂直に搬入して加熱します。炉本体は高温耐火繊維で構成されており、熱損失を減らしてエネルギーを節約します。{1}熱効率と密閉性は箱型炉よりも優れていますが、操作やメンテナンスはそれほど便利ではありません。

④シャトルキル

シャトル窯の構造はマッチ箱に似ています。操業中、焼成されるブランクはキルンカーによってキルン内に押し込まれます。焼成後、逆方向に引き出され、焼成されたブランクが取り出されます。窯車が窯内をシャトルのように往復することからシャトル窯と呼ばれています。シャトル キルンのユニークな構造は、小規模バッチ、多品種の生産に適しており、生産方法とスケジュールに大きな柔軟性をもたらします。{4}さらに、完成品の搬入、搬出、部分冷却を窯の外で行うことができるため、作業環境が改善され、窯の所要時間が短縮されます。しかし、キルンカーが常にキルンに出入りするため、蓄熱と放熱の損失が大きく、結果として排ガス温度が高く、熱消費量が高くなります。この欠点は通常、廃熱回収装置を追加することで軽減されます。

2. 連続窯

連続窯では、炉内のさまざまな点の温度が時間の経過とともに比較的一定に保たれます。素地は、制御された速度で炉の予熱セクション、高温セクション、冷却セクションを順番に通過し、焼結プロセスが完了します。このタイプの焼結炉は、中断のない連続焼結を可能にし、操作が非常に簡単で熱効率が高いため、大量の生産量と均一な製品品質をもたらします。ただし、多大な投資が必要であり、熱レジームの調整が容易ではないため、主に高出力で製品の種類が比較的限られた製品に使用されます。粉体産業における一般的な連続キルンには、トンネル キルンとローラー キルンが含まれます。

①トンネル窯

トンネル窯は、まっすぐな長いトンネルのような構造で、トンネルの底に敷いた線路の上を台車が走行します。燃焼装置はトンネルキルンの中央にあり、高温の焼成ゾーンを形成します。-誘引通風ファンまたは煙突がキルンの前面に設置され、高温の排ガスを焼成ゾーンからキルンヘッドに導き、焼成されるグリーンボディを予熱して予熱ゾーンを形成します。-キルンテールでは、通常、焼成製品を冷却するために冷気が吹き込まれ、冷却ゾーンが形成されます。焼成ゾーンの高温排ガスからの廃熱のほとんどを利用できるため、断続的なキルンよりもエネルギー効率が高くなります。-ただし、キルンテールでの冷却が必要なため、ある程度の熱は依然として無駄になります。

②ローラーキルン

ローラー キルンは、密集したローラー上に製品を直接的または間接的に配置します。各ローラーは、その端にあるスプロケットを介してチェーンによって駆動され、ローラーが連続的に回転します。このローラーの回転により、製品はキルンヘッドからキルンテールに移送されます。予熱、焼成、冷却時の温度差が極めて小さいため、製造時間が非常に短くなります。また、ローラーキルンはトンネルキルンに比べて気密性が高く、エネルギー効率が優れています。ただし、これには欠点もあります。高温で温度を下げる製品を発射するには、高品質のローラーが必要です。-一般に炭化ケイ素ローラーが使用され、最大 1350 度の高温セラミック製品の焼成に効果的に対応します。-

③プッシャーキルン

プッシャーキルンの底部には、頑丈な耐火レンガで作られた正確に敷設された軌道が敷き詰められています。押し出し機構により、セラミックブランクを含む耐火板が窯内に押し込まれ、予熱ゾーン、焼成ゾーン、冷却ゾーンを順に通過します。場合によっては、摩擦を軽減するために、セラミックボールを耐火板の下に置くこともあります。プッシャー キルンの原理と利点はローラー キルンの原理と利点に似ているため、プッシャー キルンは耐火板のスラスト支持能力によって制限され、一般に長さはそれほど長くなく、数メートルから 20 メートルの範囲です。一般に高温の粉末や特殊なセラミックスの焼成に使用され、一日の生産量は多くありません。

技術の進歩と環境保護政策の継続的な実施により、工業用窯はローエンド モデルからハイエンド モデルへと進化しています。{0}}それらは、低出力と品質、高燃料消費、高い労働集約、低い焼成温度、および雰囲気の制御不能という特徴から、より高い出力と品質、より低い燃料消費量、より高い焼成温度、制御可能な雰囲気、および機械化と自動化へと進歩しました。上記の分類に加えて、キルンは温度（高温-、中温-、低温-）や作業システム（放射状、対流、層状作業システム）によって分類することもできます。生産企業は、加工技術、雰囲気、生産量に関する製品固有の要件に基づいて適切な工業用窯を選択し、生産効率と製品品質を向上させることができます。